Recikliranje elektrod – Zelo učinkovit z ultrazvočnim razslojevanjem

Ultrazvočna delaminacija elektrod omogoča obnovitev aktivnih materialov, kot so litij, nikelj, mangan, kobalt itd., V nekaj sekundah. S tem ultrazvočno razslojevanje elektrod omogoča hitrejše, zeleno in bistveno manj energetsko intenzivno pridobivanje materialov za večkratno uporabo iz baterij. Raziskave so že dokazale, da je ultrazvočno razslojevanje lahko 100-krat hitrejše od običajnih tehnik recikliranja.

Močni ultrazvok izboljša izterjavo aktivnih snovi iz elektrod

Ultrazvočno razslojevanje elektrod ponuja hiter, učinkovit in trajnosten pristop k pridobivanju aktivnih materialov in folije. Ti deli elektrode so dragoceni materiali, ki jih je mogoče ponovno uporabiti za izdelavo novih baterij. Ultrazvočno razslojevanje ni le bistveno bolj energetsko učinkovito kot hidrometalurški in pirometalurški reciklažni procesi, temveč tudi materiale višje čistosti.

Recikliranje baterij: ločevanje in razslojevanje elektrod

Recikliranje litij-ionskih baterij (LIB) je namenjeno pridobivanju dragocenih materialov. Elektrode vsebujejo dragocene in redke materiale, kot so litij, nikelj, mangan, kobalt itd., Ki jih je mogoče učinkovito obnoviti z neprekinjenim postopkom ultrazvočnega razslojevanja. Ultrazvočni procesorji, opremljeni s sondo (sonotrode), lahko ustvarijo intenzivne amplitude. Amplituda prenaša ultrazvočne valove v tekoči medij (npr. topilno kopel), kjer zaradi izmeničnih visokotlačnih? nizkotlačnih ciklov nastanejo minutni vakuumski mehurčki. Ti vakuumski mehurčki rastejo v nekaj ciklih, dokler ne dosežejo velikosti, pri kateri ne morejo absorbirati nadaljnje energije. Na tej točki mehurčki silovito implodirajo. Implozija mehurčkov lokalno ustvarja visoko energetsko gosto okolje s tekočimi curki s hitrostjo do 280 m/s, intenzivnimi turbulencami, zelo visokimi temperaturami (približno 5.000 K), tlaki (približno 2.000 atm) in s tem temperaturnimi in tlačnimi razlikami.
Ta pojav ultrazvočno inducirane implozije mehurčkov je znana akustična kavitacija. Učinki akustične kavitacije odstranijo kompozitni film aktivnega materiala iz zbiralnika toka folije, ki je na obeh straneh prevlečen s kompozitnim filmom. aktivni material vsebuje večinoma mešanico prahu litijevega manganovega oksida (LMO) in litij-nikelj-manganovo-kobaltovega oksida (LiNiMnCoO2 ali NMC) ter saje kot prevodni dodatek.
Mehanizem ultrazvočnega razslojevanja temelji na fizikalnih silah, ki so sposobne prekiniti molekularne vezi. Zaradi intenzivnosti močnega ultrazvoka pogosto zadostujejo blažja topila za odstranitev plasti aktivnega materiala iz folije ali zbiralnika toka. S tem je ultrazvočno razslojevanje elektrode hitrejše, okolju prijazno in bistveno manj energetsko intenzivno.

Slike vrstične elektronske mikroskopije (SEM), ki prikazujejo morfološke spremembe aktivnega materiala elektrode pri ultrazvočni delaminaciji. Vse slike so bile posnete pri 5000-kratni povečavi in vzbujalni energiji 10 kV. a) predlaminacija katodnega materiala, b) delaminirani katodni aktivni material, c) anodni material pred delaminacijo in d) delaminiran anodni material.(študija in slike: Lei et al., 2021)

Drobljenje baterij v primerjavi z ločevanjem elektrod

Za pridobivanje aktivnega materiala se uporabljajo vodna ali organska topila za raztapljanje kovinske folije, polimernega veziva in/ali aktivnega materiala. Zasnova procesa in pretok pomembno vplivata na končni rezultat predelave materiala. Tradicionalni postopek recikliranja baterij vključuje drobljenje baterijskih modulov. Vendar pa je razrezane komponente težko ločiti na posamezne komponente. Zahteva kompleksno obdelavo, da se iz zdrobljene mase pridobi aktiven/dragocen material. Za ponovno uporabo predelanih aktivnih snovi je potrebna določena stopnja čistosti. Pridobivanje visoko čistih materialov iz razdrobljenih baterij vključuje zapletene procese, ostra topila in je zato drago. Ultrazvočno izpiranje se uspešno uporablja za okrepitev in izboljšanje rezultatov pridobivanja aktivnega materiala iz zdrobljenih litij-ionskih baterij.
Kot alternativni postopek tradicionalnemu drobljenju se je ločevanje elektrod izkazalo kot učinkovit postopek recikliranja baterij, ki lahko bistveno izboljša čistost pridobljenih materialov. Za postopek ločevanja elektrod se baterija razstavi na glavne komponente. Ker elektrode vsebujejo največji delež dragocenega materiala, se elektroda loči in kemično obdela, da se aktivne snovi (litij, nikelj, mangan, kobalt ...) raztopijo iz prevlečene folije ali tokovnega zbiralnika. Ultrasonication je dobro znan po svojih intenzivnih učinkih, ki jih povzroča akustična kavitacija. Sonomehanske sile uporabljajo dovolj nihanja in striženja, da odstranijo aktivne materiale, ki so naneseni na folijo. (Struktura prevlečene folije je podobna sendviču, folija v sredini in plast aktivnega materiala sta zgradila zunanjo površino.)
Ločevanje elektrod bi bila bolj izvedljiva možnost kot drobljenje, če bi se uporabljalo v povezavi z avtonomnim razstavljanjem, kar bi omogočilo čistejše tokove odpadkov in večje ohranjanje vrednosti v oskrbi

Ultrazvočne sonotrode za razslojevanje elektrod

Na voljo so posebne sonotrode, ki zagotavljajo potrebno amplitudo za odstranjevanje aktivnih snovi iz elektrodne folije. Ker se intenzivnost akustične kavitacije zmanjšuje z naraščajočo razdaljo med sonotrodo in elektrodo, je ugodna stalno enakomerna razdalja med sonotrodo in elektrodo. To pomeni, da je treba elektrodno ploščo premakniti tesno pod konico sonotrode, kjer so tlačni valovi močni in gostota kavitacije visoka. S posebnimi sonotrodami, ki ponujajo širšo širino kot standardna cilindrična ultrazvočna sonda, Hielscher Ultrasonics ponuja učinkovito rešitev za enakomerno razslojevanje elektrodnih listov iz električnih vozil. Na primer, elektrode, ki se uporabljajo v baterijah električnih vozil (EV), imajo običajno širino približno 20 cm. Sonotroda enake širine enakomerno prenaša akustično kavitacijo na celotni površini elektrode. Tako se v nekaj sekundah plasti aktivnega materiala sprostijo v topilo in se lahko ekstrahirajo in očistijo v prah. Ta prašek se lahko ponovno uporabi za proizvodnjo novih baterij.
The research team of the U.K.’s Faraday Institution reports that the removal of the active material layers from LIB electrode can be completed in less than 10 s when the electrode is located directly underneath a high power sonotrode (1000 to 2000 W, e.g. UIP1000hdT ali UIP2000hdT). Med ultrazvočno obdelavo se lepilne vezi med aktivnimi materiali in zbiralniki toka prekinejo, tako da se lahko v naslednjem koraku čiščenja obnovi nepoškodovan zbiralnik toka in aktivni material v prahu.

Slike, ki prikazujejo učinek ultrazvoka na hrbtni strani: a) anodne plošče litij-ionske baterije in b) katodne plošče litij-ionske baterije. Anoda je bila delaminirana v raztopini 0,05 M citronske kisline; katoda je bila delaminirana v raztopini 0,1 M NaOH. Sonotroda je imela premer 20 mm, z intenzivnostjo moči 120 W? cm2 za 3 sekunde, 2,5 mm stran od sonotrode. Velikost vzorca je bila 3 cm x 3 cm.(študija in slike: Lei et al., 2021)

Ultrazvočni aparati za razslojevanje elektrod

Hielscher Ultrasonics načrtuje, proizvaja in distribuira visoko zmogljive ultrazvočne procesorje, ki delujejo v območju 20 kHz. Hielscher Ultrasonics’ Industrijski ultrazvočni procesorji so ultrazvočni procesorji visoke moči, ki lahko zagotovijo zelo visoke amplitude za zahtevne aplikacije. Amplitude do 200 μm se lahko enostavno neprekinjeno izvajajo v 24/7 delovanju. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode. Za neprekinjen postopek delaminacije elektrod Hielscher ponuja vrsto standardnih in prilagojenih sonotrodov. Velikost sonotrode se lahko prilagodi velikosti in širini materiala elektrode, s čimer se dosežejo optimalni procesni pogoji za visoko zmogljivost in vrhunsko predelavo.

Literatura? Reference